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发明真空三极管

时间:2019-10-04    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

发明真空三极管

  

1906 年春天,美国纽约地方法院正在开庭审判一件离奇的案子。

被告人是一个面容憔悴的青年,名字叫福雷斯特。法官戴着庄严的黑礼

帽,用手高高举起一个里面有金属网的玻璃泡,他宣称有人控告被告人用这

种“莫名其妙的玩意儿”四处行骗。而这个青年竭力辩解说,这个玻璃泡是

他的新发明,它可以把远在大西洋彼岸传来的微弱的电磁波加以放大。

这场官司持续的时间不长,却闹得满城风雨。无知的法官、好事的记者,

谁都不会想到这个“莫名其妙的玩意儿”竟是本世纪的伟大发明之一,那个

被告的青年后来竟会成为闻名世界的电子管发明家。

福雷斯特于 1873 年 8 月出生在美国的伊利诺斯州。他的父亲是位教师,

曾经是一所黑人学校的校长。由于当时美国的种族歧视还很严重,人们看不

起黑人,也看不起接近黑人的白人。福雷斯特一家常受人家冷遇与白眼,其

父生性刚直,不让他与其他白人孩子一起玩。因此,福雷斯特的童年是在狭

窄的天地里度过的,这使他的性格有些孤独和怪僻。他回忆起自己的童年时

代曾说:“我上学的时候老被人当做‘蠢孩子’看待。那时,我虽然读了不

少书,但对于实际的事情,一点也不懂。”

到了中学时代,他也没有显露出多少才华。用他自己的话说,是“学识

既不丰富,也不善交际,而且文笔和口才又都那么笨拙。”总之,他是一个

平平常常的少年。他的唯一爱好,是喜欢摆弄各种机器。他那时梦寐以求的,

是当个机械技师。

1896 年,福雷斯特大学毕业。正在这时,马可尼在英国成功地进行无线

电表演的消息传到了欧美大陆。有一天,福雷斯特从杂志上读到一篇介绍马

可尼的文章,并附有马可尼的照片。照片上,马可尼端正地坐在实验台前,

神情严肃,他的左边放着电磁波发射机,右边放着接收机。这篇文章给了福

雷斯特很大的启发,他决定改变方向,研究无线电。

1899 年深秋,在美国举行盛大的国际快艇比赛。马可尼应邀来到美国,

用他的无线电装置报道比赛实况。他在一艘船上,5 小时内向海岸无线电站

拍发了 4000 多字的消息,消息再从陆上电台用电报线传给《纽约先驱论坛

报》,能这样迅速及时的报道,尚属首次,令美国的新闻记者们惊叹不止。

马可尼在纽约期间,为了满足观众的好奇,又在岸上作了一次表演。福

雷斯特早就盼望能亲眼看看马可尼的表演,所以闻讯后,天不亮就跑到码头

上来等候了。等马可尼表演结束,福雷斯特拼命挤到前面,在收报机前面停

下来,看了又看。他的不同寻常的神态引起了马可尼的注意,使福雷斯特有

幸与马可尼相识。他就向马可尼请教无线电技术中的一些难题,马可尼都向

他作了解答。他还谈起自己研究了几年都一无所获的苦恼,马可尼鼓励他说,

也许是没有找到适当的研究课题。可马尼介绍自己的工作,正在努力提高接

收机的灵敏度,其关键是革新现在用的金属屑检波器。但究竟应该怎么改,

马可尼也没有成熟的意见。


总之,马可尼的这一席话给福雷斯特留下了非常深刻的印象,原来改进

金属屑检波器,就是当时无线电研究中一个急待解决的重大课题。在回家的

路上,福雷斯特兴奋地想着:说不定我能够完成这个使命。

这次观摩与谈话,对他后来的发明产生了深远的影响。

就在马可尼离开美国不到两个月,福雷斯特辞去研究所的工作,在纽约

泰晤士街租了一间破旧的小屋,全心全意地研究改进检波器。由于辞去了工

作,没有了正常的收入来源,他的生活很困难,他只好节衣缩食,买一些最

简陋的器材做检测电波的试验。为了维持生活,他白天常常去给富家子弟补

习功课,有时到饭店去洗碗、扫地。一到夜里,他就沉浸在发明创造的乐趣

之中。

福雷斯特在坎坷的道路上探索了 1 年,但收获甚微,他的各种试验都失

败了。可是,他并不灰心,继续进行试验。

1900 年一个隆冬的寒夜,福雷斯特又在灯下进行新的实验,屋里点的是

煤气灯,实验装置也很粗糙。一个从旧货摊上买来的电键,两个自制的电瓶,

再加上一个粗线圈,就构成了他的发射机。当他按动电键时,线圈就接通电

源,发出火花,辐射出电磁波信号。在靠近他的另一端,有一个同电流计相

连的金属屑检波器,就成了接收机。检波器里的金属屑,他已经换过好几种,

但效果都不理想。

此时福雷斯特一面接着电键,一面观察检波器的反应,他突然注意到头

顶上的灯光一明一暗地在闪烁。开始,他以为是窗外刮风引起的。但再仔细

观察,发现灯光明暗变化却很有节奏,而且与电键开关有关,按动电键,线

圈发出火花,煤气灯的火焰马上变暗;相反,松开电键,火焰立即变亮。

福雷斯特两眼盯着煤气灯,反复按着电键,观察火焰的变化,突然一个

念头闪过:能不能利用这个现象来搞无线电检波呢?

经过 3 年的不断试验,他终于发明了一种“气体检波器”,并于 1903

年在舰船无线电通信中试用,获得了相当的成功。但是,用火焰来检测无线

电波的方法虽然新奇,却并非上策,因为要在每台接收机里装上火焰装置,

用起来显然很不方便,而且检测效率也不高。后来,福雷斯特放弃了这个方

法。

虽然火焰检波的方法被放弃,但却成了福雷斯特通向成功的桥梁。他从

火焰检波中得到启发,由此联想到:既然炽热的火焰能受电磁波影响,那么,

炽热的灯丝是否也会有影响呢?因此他想到用“灯泡”来检测电磁波,由此

找到了打开通向真理大门的金钥匙。

正当福雷斯特研究用真空管检波的时候,有个朋友带给他意外的消息:

英国的弗莱明博士发明了真空二极管!他急不可待地把刊登发明真空二极管

消息的杂志找来阅读,这使他十分激动与羡慕。弗莱明的二极管同金属屑检

波器比起来,确实前进了一大步,但只能做检波用,不能放大。福雷斯特看

到了这点,他想试一试,打算再改进一下。

于是他找到了一个灯泡厂技师帮忙,制作了几个真空管。其灯丝用白金

丝,在灯丝附近又装了块金属屏。他把真空管装在无线电接收机上,代替老

式的金属屑检波器,果然效果很好。然后他又在电子管里封进了第三个电极,

这是一片不大的锡箔,位置在灯丝与屏极之间,初看起来,并无特殊之处,

但是,正是这个不显眼的小电极,改变了无线电世界的面貌。他惊异地发现:

在第三极上施加一个不大的信号,就可改变屏极电流的大小,而且变化规律


同所加的信号一致。他马上意识到,这表明第三个电极对屏极电流有控制作

用。这个发现非同寻常,因为只要屏极电流的变化比信号的变化大,就意味

着信号被放大了,而这正是许多发明家梦寐以求的目标。

但他并不急于公开他的发明,而是沉住气,毫不声张地继续进行试验。

为了提高控制的灵敏度,他多次改变小锡箔在两极之间的位置,最后,他发

现用金属丝代替小锡箔,效果最好,于是就用一根白金丝扭成网状,封装在

灯丝和屏极之间,就这样世界上第一个真空三极管诞生了!由于控制极的形

状像网栅,福雷斯特就把它称为“栅极”。它像一个非常非常灵敏的控制闸,

按照施加信号的变化,有规律地改变着屏极电流的大小。由于屏极电流比栅

极电流大得多,因此,微小电信号经过真空三极管就大了许多倍。

像科技史上的许多发明一样,真空三极管获得社会承认,也经历了许多

曲折。

福雷斯特发明三极管后,因没有钱进一步做试验,就只好带着自己的发

明去找几家大公司,想说服那些老板给他资助。由于他不修边幅,穿得破破

烂烂,连走两家公司,结果连大门都不让他进,因为门卫怀疑他是个行为不

轨的人。

当他来到第三家公司时,也把他当做流浪汉,不准他进去。任凭他怎么

解释,也无济于事。门卫甚至怀疑他是个江湖骗子,就去报告了经理。这个

经理也是一个势利小人,不容分说,竟叫来了几个彪形大汉把他扭送到警察

局。

几天后,法院就开庭审判,这就出现了本文开头所叙述的那个场面。福

雷斯特开始被控告是“公开行骗”,接着又告他“私设电台”。但他并不畏

惧,相反,他机智地利用法庭这个公开的讲坛,大力宣传自己的发明。他充

满信心地说:“历史必将证明,我发明了空中帝国的王冠。”福雷斯特说的

“空中帝国”就是指无线电;“王冠”指的是真空三极管。

经过他的申辩与斗争,他终于胜利了,法院无证据定他罪,最后宣判他

无罪释放。这场官司倒使他出了名。1906 年 6 月 26 日,他发明的真空三极

管获得了美国专利,后人把这一天当作真空三极管的诞生日。

福雷斯特首先把三极管用在无线电接收屏极检波电路中,使通信距离大

大增加。不久,三极管又被用在电话增音机上,解决了贝尔电话公司当时正

在设计的美国长途电话的关键问题。开始时由于真空度不够,管子寿命不长。

到了  1910 年,德国科学家发明了分子泵,可以把三极管的真空度抽得很

高,使用寿命大大提高,因此三极管很快大批量生产,广泛应用。到 1918

年,各种类型的无线电收发报机和电子设备都普遍采用了三极管。

总之,三极管使无线电发生了根本的变革,日本的一位科技传记作家指

出:“真空三极管的发明,像升起了一颗信号弹,使全世界科学家都争先恐

后地朝这个方向去研究。因此,在一个不长的时期里,电子器件获得了惊人

的发展。”从三极管发展到四极管、五极管、七极管、大功率发射管等,形

成了一个庞大的电子器件家族。

真空电子管的出现是电子科学技术史上一件划时代的大事,它不仅推动

了无线电技术的迅猛发展,并奠定了近代电子工业的基础。正是有了电子管,

在短短的 20 年里,远程无线电通信、无线电话、收音机、广播、电视、高频

加热炉等才像雨后春笋般涌现出来,世界上第一台电子计算机也才能够制造

出来。

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